熱處理應力的影響

熱處理應力的影響
熱處理殘余力是指工件經熱處理后最終殘存下來的應力，對工件的形狀，尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時，便引起工件的變形，超過材料的強度極限時就會使工件開裂，這是它有害的一面，應當減少和消除。
???? 但在一(yi)定條件(jian)下(xia)控制應(ying)(ying)力(li)使之合(he)理(li)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)，就可以提(ti)高零件(jian)的(de)機械性能和(he)使用壽(shou)命(ming)，變(bian)害(hai)為利。分(fen)(fen)析鋼(gang)在熱處理(li)過程中(zhong)應(ying)(ying)力(li)的(de)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)和(he)變(bian)化規律，使之合(he)理(li)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)對(dui)提(ti)高產品質量有著深遠的(de)實際意(yi)義。例如關于表層殘(can)余壓應(ying)(ying)力(li)的(de)合(he)理(li)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)對(dui)零件(jian)使用壽(shou)命(ming)的(de)影響問題(ti)已經引起了人們的(de)廣(guang)泛重視。

一、鋼的熱處理應力
???? 工件在加熱和冷卻過程中，由于表層和心部的冷卻速度和時間的不一致，形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力，即熱應力。在熱應力的作用下，由于表層開始溫度低于心部，收縮也大于心部而使心部受拉，當冷卻結束時，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。
???? 這種現象受到冷卻速度，材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大，最后形成的殘余應力就愈大。另一方面鋼在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉變時，因比容的增大會伴隨工件體積的膨脹，工件各部位先后相變，造成體積長大不一致而產生組織應力。組織應力變化的最終結果是表層受拉應力，心部受壓應力，恰好與熱應力相反。組織應力的大小與工件在馬氏體相變區的冷卻速度，形狀，彈簧材料的化學成分等因素有關。
???? 實踐證明，任何工件在熱處理過程中，只要有相變，熱應力和組織應力都會發生。只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了，而組織應力則是在組織轉變過程中產生的，在整個冷卻過程中，熱應力與組織應力綜合作用的結果，就是工件中實際存在的應力。
???? 這兩(liang)種應(ying)(ying)(ying)力(li)綜合作用(yong)的結果是(shi)(shi)(shi)十分復雜的，受(shou)著許多(duo)因素(su)的影響(xiang)，如成分、形(xing)狀、熱處理工(gong)(gong)藝等。就其發展過程來說只(zhi)有兩(liang)種類型，即熱應(ying)(ying)(ying)力(li)和組(zu)(zu)織(zhi)應(ying)(ying)(ying)力(li)，作用(yong)方(fang)向(xiang)(xiang)相反時(shi)二者(zhe)(zhe)抵消(xiao)，作用(yong)方(fang)向(xiang)(xiang)相同時(shi)二者(zhe)(zhe)相互(hu)迭加(jia)。不管(guan)是(shi)(shi)(shi)相互(hu)抵消(xiao)還是(shi)(shi)(shi)相互(hu)迭加(jia)，兩(liang)個應(ying)(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)(ying)有一個占主導(dao)(dao)因素(su)，熱應(ying)(ying)(ying)力(li)占主導(dao)(dao)地(di)位(wei)時(shi)的作用(yong)結果是(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)件心部受(shou)拉(la)(la)，表面受(shou)壓。組(zu)(zu)織(zhi)應(ying)(ying)(ying)力(li)占主導(dao)(dao)地(di)位(wei)時(shi)的作用(yong)結果是(shi)(shi)(shi)工(gong)(gong)件心部受(shou)壓表面受(shou)拉(la)(la)。

二、熱處理應力對淬火裂紋的影響
???? 存在于淬火件不同部位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在內)，對淬火裂紋的產生都有促進作用，但只有在拉應力場內(尤其是在最大拉應力下)才會表現出來，若在壓應力場內并無促裂作用。
??? 淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量并決定殘余應力的重要因素，也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內的冷卻速度，并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。
就殘余應力而論，這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值，故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且，在能淬透的情況下，截面尺寸越大的工件，雖然實際冷卻速度更緩，開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢，熱應力減小，組織應力隨尺寸的增大而增加，最后形成以組織應力為主的拉應力作用在工件表面的作用特點造成的。并與冷卻愈慢應力愈小的傳統觀念大相徑庭。對這類鋼件而言，在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。
???? 避免淬裂的可有原則是設法盡量減小截面內外馬氏體轉變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉變區內的緩冷卻不足以預防縱裂的形成。一般情況下只能產生在非淬透性件中的弧裂，雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因，卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉變區內)本身，而是淬火件局部位置(由幾何結構決定)，在高溫臨界溫度區內的冷卻速度顯著減緩，因而沒有淬硬所致。產生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈，是由以熱應力為主要成份的殘余拉應力作用在淬火件中心，不銹鋼彈簧而在淬火件末淬硬的截面中心處，首先形成裂紋并由內往外擴展而造成的。
??? 為了(le)避免這類裂紋(wen)產生(sheng)，往(wang)往(wang)使(shi)用水(shui)--油雙液(ye)淬火工(gong)藝。在此工(gong)藝中(zhong)實施高溫段(duan)內的(de)(de)快速(su)(su)冷(leng)(leng)卻，目(mu)的(de)(de)僅僅在于確保外層金(jin)屬得到馬(ma)氏體組織(zhi)(zhi)；而(er)從內應力(li)的(de)(de)角度(du)(du)來看，這時(shi)快冷(leng)(leng)有害無益。其次(ci)，冷(leng)(leng)卻后期(qi)緩冷(leng)(leng)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)，主要不是為了(le)降(jiang)低馬(ma)氏體相變(bian)的(de)(de)膨脹速(su)(su)度(du)(du)和組織(zhi)(zhi)應力(li)值，而(er)在于盡量(liang)減小(xiao)截(jie)面溫差和截(jie)面中(zhong)心部位(wei)金(jin)屬的(de)(de)收縮速(su)(su)度(du)(du)，從而(er)達到減小(xiao)應力(li)值和最終抑制淬裂的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。